Следует отметить, что производство вертолетов с рулевым винтом началось в невиданном масштабе. Американский конструктор вертолетов А. Янг в первой половине 40-х годов только в США насчитал более 340 фирм, занимающихся разработкой и постройкой вертолетов данной схемы.
В конце 50-х годов в СССР, в ОКБ Яковлева и ОКБ Миля, на конкурсной основе построили одновинтовые вертолеты, соответственно Як-100 и ГМ-1 (Ми-1) со взлетной массой около 2500 кг. Предпочтение было отдано Ми-1, который строился крупной серией. Однако для службы в отечественном ВМФ он не подошел. Почему же?
Ответ достаточно прост. В США вертолеты на флоте стали использоваться на авианесущих кораблях. Проблем с базированием, взлетами и посадками у вертолетов с рулевым винтом на кораблях с большим водоизмещением не было. В СССР же, не имевшем в то время авианесущих кораблей, применение вертолетов в ВМФ планировалось начать на судах малых водоизмещений. Эти суда могли быть оборудованы малоразмерными взлетно-посадочными площадками (ВППл), окаймленными уже существовавшими корабельными надстройками, что существенно ограничивало подходы к ним при выполнении полетов.
Тем временем в ОКБ Камова уже имелся опыт создания соосных вертолетов. С выпуском и доводкой первых сверхлегких корабельных одноместных вертолетов соосной схемы Ка-10 и Ка-1 ОМ завершилось становление молодого ОКБ. Войсковые испытания Ка-10, проведенные на Черном море, выявили необходимость постройки для ВМФ более грузоподъемной и менее зависимой от погодных условий винтокрылой машины. Такой машиной и стал Ка-15 - вертолет многоцелевого назначения, спроектированный также по соосной схеме. Это был двухместный вертолет, в кабине которого рядом с пилотом размещалось кресло для оператора.
Суда малых водоизмещений, как известно, подвержены значительной по величине бортовой и килевой качке. Мощный турбулентный поток воздуха, наличие разнообразных надстроек и качка корабля вызвали недоверие у наших военных моряков к вертолету с рулевым винтом, чувствительному к скорости ветра и его направлению. Чтобы окончательно убедиться в своей правоте, позднее они провели даже сравнительные испытания соосного Ка-15 и одновинтового Ми-1 на крейсере Михаил Кутузов.
Благодаря малым размерам и высокой маневренности, Ка-15 успешно взлетал с небольшой ВППл и садился на нее даже при шестибальном волнении моря. В этих условиях Ми-1 с длинной хвостовой балкой и рулевым винтом, которые значительно ограничивали возможности его эксплуатации, не мог использоваться при наличии турбулентности потока воздуха и качки корабля. Таким образом, соосная схема вертолета в нашей стране была востребована ВМФ.
Надо сказать, что соосная схема винтокрылых машин привлекала к себе внимание не только отечественных моряков, но и проектировщиков всего мира, своими очевидными достоинствами. Практически вся мощность двигателей здесь расходуется на создание тяги несущих винтов. К тому же реактивные моменты винтов взаимно уравновешиваются в редукторе и на фюзеляж не передаются. Все силы от несущей системы замыкаются на небольшом отсеке фюзеляжа между двумя силовыми шпангоутами, на котором сверху располагается редуктор с несущими винтами, а снизу, по бокам, крепятся основные опоры шасси. Более компактного винтокрылого аппарата не существует.
В связи с этим многие известные зарубежные конструкторы, такие как Л. Бреге, Д. Перри, С. Хиллер, Г. Берлинер, А. Асканио и другие, а также авиационные фирмы, в том числе ОКБ Яковлева, пытались освоить соосную схему вертолета. В числе построенных во второй половине 40-х годов по этому принципу вертолетов можно назвать Roteron, Brantly В-1, Benlix К, Dorand G-20, Bell Molel 49, Breguet G-11 E и Breguet G-111, а также экспериментальный вертолет ОКБ Яковлева.
Некоторые из созданных в 40-х - 50-х годах вертолетов, например, Breguet G-111 (Франция), Bell Molel 49 (США) и другие обладали достаточно высокими для того времени летно-техническими характеристиками. Тем не менее все иностранные фирмы и ОКБ Яковлева были вынуждены отказаться от совершенствования этой схемы из-за ряда встретившихся проблем.
ОКБ Камова при проектировании, постройке, испытаниях и доводке Ка-15 также встретилось с рядом трудностей, обусловленных отсутствием научной и экспериментальной базы в области аэромеханики соосных несущих винтов. История констатирует, что конструкторы и ученые ОКБ успешно справились с множеством проблем. Под руководством главного конструктора сформировалась камовская школа научного проектирования и практического конструирования винтокрылых аппаратов различных схем и, в первую очередь, соосной схемы.
Другая проблема, с которой всегда встречаются конструкторы при проектировании новых машин - правильный выбор размерности летательного аппарата. Главный конструктор Н. И. Камов считал, что после Ка-10 с взлетной массой менее 400 кг новый вертолет Ка-15 на 1500 кг в наибольшей степени будет удовлетворять широкому спектру разноречивых интересов. По-видимому, к конструированию вертолета в более тяжелой весовой категории он внутренне не был в то время готов.
Соратники Н. И. Камова пытались убедить его в том, что в этом классе уже существует вертолет Ми-1, заполнивший нишу в интересах военного ведомства и народного хозяйства, и у Ка-15 окажется весьма узкая корабельная сфера применения.
В 1951 году по заданию правительства ОКБ Миля приступило к созданию вертолета Ми-4 с взлетной массой 7000...8000 кг, который в 1952-м стал выпускаться серийно. Переубедить Н. И. Камова, к сожалению, не удалось. В связи с этим его ОКБ Камова потеряло темп и возможность занять лидирующее положение в стране по числу серийно выпускаемых вертолетов с эмблемой Ка в классе винтокрылых аппаратов до 10000 кг.
Защита эскизного проекта вертолета Ка-15 состоялась в 1951-м, в декабре 1951-го был построен натурный макет машины. Первый подъем вертолета в воздух состоялся в апреле 1953-го. Серийное производство вертолета было начато на авиазаводе в Улан-Удэ в 1956-м.
Давайте сравним основные данные вертолетов соосной и одновинтовой схем.
Первый полет - Ка-15 . 1953 г. / Ми-1 . 1948 г.
Начало серийного производствА - Ка-15 . 1956 г. / Ми-1 . 1950 г.
Тип двигателя - Ка-15 . АИ-14В / Ми-1 . АИ-26ГР
Мощность - Ка-15 . 188 кВт / Ми-1 . 405 кВт
ДлинА вертолетА С вращающимися винтами - Ка-15 . 9.96 М. / Ми-1 . 17.1 М.
Диаметр несущего винтА - Ка-15 . 9.96 М. / Ми-1 . 14.35 М.
МАССА
- пустого - Ка-15 . 963 кг / Ми-1 . 1900 кг
- взлетная (нормальная) - Ка-15 . 1370 кг / Ми-1 . 2450 кг
- взлетная (максимальная) - Ка-15 . 1460 кг / Ми-1 . 2550 кг
- перевозимого грузА - Ка-15 . 364 кг / Ми-1 . 500 кг (НА внешней подвеске)
Динамический потолок - Ка-15 . 3500 М. / Ми-1 . 3500 М.
Практическая дальность - Ка-15 . 350 км / Ми-1 . 360 км.
СКОРОСТЬ
- крейсерская - Ка-15 . 120 км/ч / Ми-1 . 140 км/ч
- максимальная - Ка-15 . 155 км/ч / Ми-1 . 190 км/ч
Экипаж - Ка-15 . 1 человек / Ми-1 . 1 человек.
Из приведенных данных следует, что соосный Ка-15 при вдвое меньшей мощности двигателя перевозит груз примерно такой же массы в грузовой кабине, что и знаменитый одновинтовой Ми-1, на котором было установлено около 30 мировых рекордов. При этом Ка-15 на 1000 кг легче, а его длина с вращающимися винтами в 1,7 раза меньше, чем у Ми-1. Именно эти неоспоримые достоинства компактного Ка-15 в сочетании с высокой маневренностью давали возможность вертолету успешно выполнять главное предназначение: успешно вести разведку надводной обстановки и обеспечивать связь между судами и береговыми базами в интересах ВМФ.
Какова же конструкция Ка-15? Планер вертолета состоит из фюзеляжа, хвостовой балки с горизонтальным и вертикальным оперением и хвостовой предохранительной опорой. Фюзеляж образован пространственной фермой из хромансилевых труб и крепящегося к ней каркаса из дюралюминиевых профилей. Все это закрыто дюралюминиевой обшивкой, в которой имеются необходимые проемы для дверей и люков.
Шасси - четырехопорное. Колеса основных опор тормозные. В варианте корабельного базирования предусмотрено применение двух баллонов, которые крепятся к фюзеляжу с помощью пространственных ферм.
Силовая установка Ка-15 расположена в центральной части фюзеляжа. Двигатель АИ-14В обдувался вентилятором. В его редукторе имелась коническая и планетарная передачи, понижающие частоту вращения выходного вала. Далее мощность двигателя передавалась на двухступенчатый сателлитный распределительный редуктор, передающий поровну крутящий момент на соосные валы верхнего и нижнего трехлопастных несущих винтов.
Лопасть несущего винта трапециевидной формы в плане была выполнена из древесины с применением металла и пенопластового заполнителя в хвостовых отсеках. Геометрическая крутка лопасти составила минус 12°, концевая хорда - 100 мм. Коэффициент заполнения винта был рекордно мал - 3%. Лопасть винта имела трехшарнирное крепление к втулке. На вертикальном шарнире размещался фрикционный демпфер.
Из кабины экипажа - хороший обзор. Рабочее место летчика снабжено рычагами управления вертолетом: ручкой управления, педалями и рычагом "шаг-газ". Путевое управление - комбинированное, включающее механизм дифференциального шага несущих винтов и руля направления двухкилевого вертикального оперения. Эффективность рулевых поверхностей повышается с ростом скорости.
При отказе двигателя храповая муфта отключает его от несущих винтов, а рули направления обеспечивают вертолету необходимую путевую управляемость на режиме авторотации и посадке при неработающем моторе.
Оборудование вертолета включало приборы пилотажно-навигационные, контроля за работой силовой установки и несущих винтов, отопительные и специальные агрегаты, противообледенительную систему остекления кабины экипажа и лопастей винтов, электро- и радиооборудование. Бортовое оснащение позволяло производить полеты днем и ночью.
Особый интерес представляет система управления соосным вертолетом. Как и на вертолете с рулевым винтом, пилот воздействует на стандартные рычаги управления, расположенные на его рабочем месте. Управляющие воздействия от рычагов через тяги и качалки, механизмы общего и дифференциального шага, нижний и верхний, кинематически жестко связанные автоматы перекоса передаются на поводки поворота лопастей относительно осевых шарниров.
Отклонение ручки управления вертолетом приводит к наклону автоматов перекоса и циклическому изменению углов установки лопастей при вращении винтов, подобно тому, как это осуществляется на одновинтовом вертолете с рулевым винтом. В результате вектор полной аэродинамической силы двух несущих винтов отклоняется в заданном направлении и на необходимую величину. При этом реактивные моменты противоположного вращения винтов взаимно уравновешены, а боковые проекции полных аэродинамических сил верхнего и нижнего винтов равны по величине и направлены в противоположные стороны. Все это и обеспечивает аэродинамическую симметрию вертолету соосной схемы.
При перемещении педалей происходит дифференциальное изменение шага верхнего и нижнего винтов, что приводит к появлению на них разности крутящих и реактивных моментов и, соответственно, управляющего путевого момента. Одновременно в необходимом направлении осуществляется отклонение рулей направления. С помощью дифференциального механизма углы установки на одном винте увеличиваются, а на другом - уменьшаются на ту же величину. Суммарная же тяга винтов остается неизменной, что автоматически сохраняет высоту полета при маневрировании.
Отклонение педалей на одновинтовом варианте Ми-1 приводит к изменению углов установки лопастей рулевого винта и к перераспределению мощности двигателя между несущим и рулевым винтами. Это, в свою очередь, изменяет частоту вращения винтов и тягу несущего винта. Для сохранения высоты полета в процессе разворота требуется вмешательство пилота в управление вертолетом с помощью рычага "шаг-газ" и для воздействия на углы установки лопастей несущего винта и режим работы двигателя.
В отличие от соосного вертолета на Ми-1 при выполнении разворотов происходит пространственная разбалансировка аппарата относительно всех трех осей, требующая координированных последовательных действий ручкой управления, педалями и рычагом "шаг-газ". Такое принципиальное отличие существенно осложняет технику пилотирования одновинтового вертолета по сравнению с аэродинамически симметричным винтокрылым аппаратом соосной схемы. Таким образом, компактность соосного Ка-15 и высокая маневренность в сочетании с простой техникой пилотирования обеспечили ему успешное выполнение боевых заданий на границе воздушной и морской стихий в условиях постоянной качки ВППл.
Хотелось бы отметить еще некоторые особенности управления вертолетов соосной схемы. При отклонении рычага "шаг-газ" на несущих винтах с помощью автоматов перекоса одновременно увеличиваются или уменьшаются углы установки лопастей, что приводит к росту или уменьшению их тяги, а в результате воздействия на подачу топлива в двигатель происходит необходимое изменение его мощности. Вращением рукоятки "коррекция" рычага "шаг-газ" пилот может в определенных пределах регулировать режим работы двигателя, не нарушая углов установки лопастей. Это позволяет оптимизировать управление силовой установкой и несущей системой по частоте вращения винтов.
Еще на Ка-10 соосную схему несущих винтов и систему управления довели до практической реализации. Она включала два автомата перекоса, механизмы общего и дифференциального шага и ряд других элементов. Конечно, все это предстояло совершенствовать в ходе доводки нового вертолета.
Совместную работу двигателя и несущих винтов объединяла система управления, которая в кабине пилота имела командный рычаг "шаг-газ" с вращающейся рукояткой для коррекции режима работы двигателя. Кстати, на вертолете ГМ-1 такая система отсутствовала, и управлять машиной в полете было весьма сложно. Рычагом общего шага пилот изменял углы установки лопастей несущего винта, а рычагом управления двигателем (РУД) подбирал необходимый режим работы двигателя. Эту систему Миль ввел позднее, уже на модификации вертолета ГМ-1, получившая обозначение Ми-1.
Одна из самых сложных задач, которую следовало решать конструкторам, - изучение природы вибраций на соосном вертолете и разработка рекомендаций и методов доведения их до приемлемого уровня. Для уменьшения воздействия внешних аэродинамических периодических сил еще в 1947-м энтузиасты во главе с Камовым при постройке первого соосного вертолета Ка-8 разработали методику статической и динамической регулировки несущей системы. В ходе стендовых и заводских испытаний Ка-15 в содружестве со специалистами ЦАГИ и ЛИИ был выполнен ряд его конструктивных доработок, направленных на преодоление автоколебаний типа "земной резонанс" и флаттер лопастей несущих винтов. Совокупность некоторых конструктивных мер позволила успешно справиться с земным и воздушным резонансом на Ка-15.
Другим, не менее опасным видом автоколебаний, был флаттер лопастей винта в полете, который специалисты ОКБ обнаружили у Ка-15 в 1953 г. Устранить его удалось установкой на определенном радиусе лопасти противовесов рогового типа, смещавших ее центровку вперед на необходимую величину. Однако эксплуатация вертолета в условиях морского влажного климата вскоре преподнесла неожиданный сюрприз: флаттер снова стал выдавать о себе сигналы в полете.
Оказалось, что при эксплуатации происходит набухание древесины лопасти и скопление влаги в пространстве отсеков между верхней и нижней обшивками. Это приводило к смещению центровки назад и вызывало появление флаттера.
Вскоре удалось обнаружить явления флаттера из-за смещения центровки лопасти назад не от ее набухания, а в результате ремонтов, выполнявшихся в условиях эксплуатирующих подразделений. Для предотвращения появления автоколебаний лопастей винта в технологию их создания ввели нормируемый запас по эффективной центровке. Он позволил окончательно взять под контроль флаттер лопастей несущего винта.
После запуска Ка-15 в серию, фронт работ по повышению ресурса машин и расширению возможностей их применения значительно изменился. На заводе вступили в строй многочисленные стенды для испытания узлов и наиболее нагруженных деталей в условиях динамических напряжений. Продолжились длительные ресурсные испытания. Осуществлялись летные исследования по изучению "вихревого кольца" и отработке рекомендаций пилоту по предотвращению попадания в это явление вертолета и методам выхода из него. Завершились испытания Ка-15 на режиме авторотации несущих винтов, в том числе по выполнению посадок на аэродром и водную поверхность (с баллонными шасси) при неработающих двигателях.
Морские испытания корабельного вертолета начались в 1956-м, на Балтике с базирований на борту эсминца "Светлый". В 1957-1958 годах были сформированы первые подразделения корабельных Ка-15. В 1958-м началось оснащение миноносца "Светлый" ВППл, а в 1960-1961-м годах флот пополнился 8-ю ракетными кораблями проекта "57" с ВППл, емкостями для хранения авиационных ГСМ, каютами для авиаторов, специальным оборудованием для обеспечения эксплуатации винтокрылых машин.
В народном хозяйстве Ка-15 использовался в качестве разведчика морского зверя на кораблях тралового флота.
В противолодочном варианте Ка-15 оснащался двумя радиогидроакустическими буями РГБ-Н или приемным устройством СПАРУ. В этом случае пара вертолетов работала совместно: один сбрасывал в заданном квадрате акватории буи, а другой осуществлял их прослушивание с помощью СПАРУ для обнаружения подводной лодки, а для ее уничтожения использовался Ка-15 в ударном варианте, оборудованный прицелом ОПБ-1Р и снаряженный двумя глубинными бомбами калибра 50 кг.
Модификация Ка-15М отличалась от базовой машины рядом доработок, направленных на совершенствование кинематики управления несущей системы, повышение надежности аппарата и эффективности его эксплуатационной технологичности. Ка-15М применялся в различных вариантах и имел для этого соответствующее оборудование: аппаратуру опрыскивания, опыливания, генерации аэрозолей, подвесные контейнеры для перевозки почты и мелких грузов, спасательные лодки, подвесные гондолы для перевозки больных в положении лежа и многое другое.
Учебно-тренировочный УКа-15 потребовался для обучения летчиков и тренировочных полетов. Он оборудован двойным управлением, дополнительными пилотажными приборами и шторками для тренировки и обучения пилотов выполнению полетов по приборам. Построен вертолет в 1956-м на авиационном заводе в Улан-Удэ. В 1957-м успешно прошел государственные испытания, выпускался серийно.
Всего Ка - «пятнадцатых» построено 354 экземпляра различных модификаций.
Ка-18 -дальнейшая модификация Ка-15М. Он предназначался для перевозки пассажиров, почтовых отправлений и грузов, для транспортировки больных и пострадавших в стационарные медицинские учреждения. Наряду с Ка-15М он применялся также на авиационно-химических работах. Опытный экземпляр был построен в 1956-м, а в 1957-м он успешно выдержал государственные испытания. Ка-18 выпускался серийно и находился в эксплуатации около 20 лет. Построено более 110 машин.
От базового Ка-15 модифицированный Ка-18 отличался увеличенной кабиной, вмещающей пилота, трех пассажиров или одного больного на носилках и сопровождающего медицинского работника. Для погрузки в вертолет санитарных носилок предусмотрен люк, расположенный спереди справа в носовом обтекателе фюзеляжа. Оборудование вертолета включает пилотажно-навигационные приборы и приборы контроля за работой силовой установки и несущей системы, отопительное, специальное и санитарное оборудование, противообледенительную систему, электро- и радиооборудование.
Под руководством Камова в 1958-1963 годах группой конструкторов, технологов и ученых были разработаны, испытаны и внедрены в серийное производство для вертолетов Ка-15М и Ка-18 лопасти винтов новой конструкции из полимерных композиционных материалов, которые повысили аэродинамическое качество несущих винтов и существенно увеличили ресурс лопастей.
На электровинтовом стенде ОКБ в одинаковых условиях были проведены сравнительные испытания 11 комплектов деревянных лопастей ЛД-10М и 6 комплектов новых стеклопластиковых лопастей Б-7. У несущих винтов с лопастями Б-7 поляры практически совпадали, в то время, как у винтов с деревянными лопастями наблюдался их существенный разброс.
Конструкция и технология изготовления лопастей из полимерных композитов запатентованы в пяти ведущих в области вертолётостроения зарубежных государствах. Они стали основой для производства более совершенных лопастей несущих винтов нового поколения.
Летчик-испытатель В. Виницкий в 1958-1959 годах установил на Ка-15М два мировых рекорда скорости. В 1958-м на всемирной выставке в Брюсселе Ка-18 был удостоен золотой медали.
Тем не менее, большая заслуга в этом принадлежит базовому Ка-15, на котором предварительно разработали все системы, позволившие добиться успеха и на Ка-18.
По всеобщему признанию специалистов, наибольший вклад в создание семейства вертолетов Ка-15 внесли под руководством выдающегося авиаконструктора Н. Камова летчик-испытатель Д. Ефремов, конструкторы В. Баршевский, М. Купфер, Н. Приоров и А. Власенко.
Именно с Ка -"пятнадцатого" началась широкая практическая эксплуатация вертолетов соосной схемы в ВМФ и ГВФ.
КА-10М. Летчик-Испытатель - Д. Ефремов.
КА-15 - В полете.
Противолодочная модификация КА-15 - ПосадкА НА палубу корабля.
КА-18 - Авиакомпании АэроФлот.